Данио-рерио заметили добычу с помощью одной ультрафиолетовой колбочки
Личинки данио-рерио могут распознавать одноклеточную добычу отдельными рецепторами к ультрафиолетовому свету. Столь высокая чувствительность характерна для колбочек зоны наибольшей плотности рецепторов, схожей с центральной ямкой (фовеа) других животных. Различия в чувствительности клеток разных областей сетчатки определяются морфологией рецепторов и генетическими настройками фототрансдукции. Авторы статьи, опубликованной в журнале Neuron, считают, что исследования восприятия света данио-рерио помогут лучше понять устройство сенсорных систем других животных, в том числе и человека.
В целом чувствительность различных типов фоторецепторов у всех животных устроена по одному принципу: фотоны (частицы света) воздействуют на белковые каналы клеток, изменяют поток ионов через мембрану и запускают выброс медиатора на противоположном конце рецептора. Однако в зависимости от типа светочувствительной клетки и даже ее расположения на сетчатке соотношение потока фотонов и выбросивших медиатор везикул существенно различается. Например, палочки
даже на отдельные фотоны и нужны для зрения при слабой освещенности, а колбочки быстрее передают сигнал, но менее чувствительны. В центральной ямке (фовеа, точке наибольшей плотности фоторецепторов) сетчатки чувствительность колбочек
, чем в других зонах. Изучение механизмов настройки отдельных рецепторов поможет нам понять устройство и эволюцию сенсорных систем.
Ученые из Великобритании и Германии под руководством Тома Бадена (Tom Baden) из Сассекского университета исследовали устройство ультрафиолетового зрения личинок данио-рерио. Эти рыбы питаются планктоном, который плохо различим в воде в спектре видимого человеку света. Исследователи проверили, что для успешной охоты личинкам данио-рерио необходимо видеть в ультрафиолетовом диапазоне. Для начала ученые воспроизвели видение мира рыбами с помощью двух камер: одна регистрировала аквариум с инфузориями (пищей личинок) в желтом свете, другая — в ультрафиолетовом. Затем, наоборот, освещали аквариум с личинками данио-рерио и инфузориями желтым и ультрафиолетовым светом и следили за тем, насколько активно рыбы будут реагировать на добычу. Наконец, тот же эксперимент провели с личинками, у которых с помощью генетических инструментов удалили ультрафиолетовые колбочки сетчатки.
На записи камеры в желтом свете был различим общий фон аквариума, но инфузорий было невозможно рассмотреть; в ультрафиолетовом свете одноклеточные в приповерхностном слое воды выглядели как яркие точки.
Рыбы активно двигались при виде инфузорий, когда аквариум освещали ультрафиолетовым светом, но не реагировали на добычу в желтом свете. У личинок с удаленными ультрафиолетовыми колбочками такой разницы в поведении не было.
Чтобы посчитать, сколько колбочек необходимо личинке данио-рерио для распознания инфузории, из литературных данных о размере сетчатки и плотности рецепторов исследователи вычислили рецептивное поле ультрафиолетовых колбочек — угол обзора, свет от которого попадает на один рецептор. Получили значение около 0,76 градусов на одну колбочку. Личинки распознают инфузорий размером меньше 0,1 миллиметра с расстояния до 3,25 миллиметров — в таком случае угловой размер одноклеточных составляет 1,8 градус, и маловероятно, что для детекции добычи данио-рерио используют больше одной колбочки. Заметив инфузорию, рыбы фокусируют глаза, подплывают к жертве на расстояние в один миллиметр — угловой размер добычи перед атакой увеличивается до 5,7 градусов, и она покрывает две-три ультрафиолетовые колбочки.
Затем исследователи проанализировали вариабельность морфологии ультрафиолетовых колбочек и их ответа на вспышки света. Для этого рецепторы и их наружные сегменты (где располагаются светочувствительные каналы) окрасили флуоресцентными метками; за ответом колбочек на ультрафиолетовые вспышки разной амплитуды следили по внутриклеточной концентрации кальция - она повышается в темноте и снижается в ответ на свет.
Длина наружных сегментов колбочек варьировала от 0,6 до девяти микрометров; самые длинные фоточувствительные участки были у колбочек в area temporalis, зоне наибольшей плотности рецепторов, в которую попадает сфокусированный свет.
Колбочки area temporalis с длинными наружными сегментами реагировали даже на самые короткие (20 миллисекунд) вспышки света, но на относительно долгие (200 миллисекунд) темные периоды в ультрафиолетовом фоне лучше реагировали рецепторы дорзальной части сетчатки — вероятно, они «замечают» более крупную тень хищника.
Реакция на темные и светлые периоды зависела от положения колбочки в сетчатке: в area temporalis рецепторы сбалансированно реагировали на оба типа стимулов, а в дорзальной и вентральной части сетчатки амплитуда ответа колбочек была высокой на темный сигнал и слабой при вспышках света. Такое предпочтение светлого или темного стимулов было связано с базовым уровнем внутриклеточной концентрации кальция: чем она была ниже, тем сильнее рецептор реагировал на темноту.
Ученые затем проанализировали экспрессию генов фототрансдукции (перевода энергии света в электрические импульсы) в area temporalis и других областях сетчатки. Влияние отдельных белков-участников процесса оценивали с помощью вычислительной модели фототрансдукции в рецепторах сетчатки.
Экспрессия некоторых ключевых генов фототрансдукции в area temporalis была выше, чем в других областях сетчатки. Настройка параметров отдельных белков в модели превратила клетки со свойствами колбочек area temporalis (высоким базовым уровнем внутриклеточного кальция и чувствительностью к вспышкам ультрафиолета) в рецепторы других зон сетчатки. Значит, функциональная гетерогенность ультрафиолетовых колбочек, вероятно, связана с генетической регуляцией фототрансдукции.
Авторы работы отмечают, что механизмы чувствительности к свету в area temporalis схожи с фовеальным зрением, которое свойственно человеку и ряду других животных. Данио-рерио — удобный и простой модельный объект — может помочь исследовать особенности восприятия света человеком.
Изучение механизмов зрительных систем у живых организмов может помочь в разработке фовеального зрения для беспилотных автомобилей. Такие компьютерные модели позволяют тратить меньше вычислительных мощностей для анализа дорожной ситуации. Аналогичные технологии используют также в VR-шлемах и очках дополненной реальности.
Алиса Бахарева